KR101446853B1 - 배기 가스 처리 장치를 동작시키는 방법 - Google Patents

배기 가스 처리 장치를 동작시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 히터(3) 및 적어도 하나의 환원제용 공급 장치(4)를 갖춘 배기 가스 처리 장치(1)를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따라서, 테스트는 환원제가 공급되어야 하는지를 판별하기 위해 처음에 실행되고, 서로 다른 가열 수단은 각 경우에 순차적으로 실행된다. 환원제가 공급되는 경우에, 배기 가스 처리 장치는 제 1 온도(7)가 제 1 임계 온도(8) 아래에 있는 경우에, 상기 제 1 온도가 제 1 임계 온도(8)에 이를 때까지, 히터(3)로 가열된다. 환원제가 공급되지 않는 경우에, 배기 가스 처리 장치는 제 2 온도(9)가 제 2 임계 온도(10) 아래에 있는 경우, 상기 제 2 온도가 제 2 임계 온도(10)에 이를 때까지, 히터(3)로 가열된다.

Description

배기 가스 처리 장치를 동작시키는 방법{METHOD FOR OPERATING AN EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE}
본 발명은, 적어도 하나의 히터 및 적어도 하나의 환원제용 공급 장치를 갖춘 내부 연소 기관용 배기 가스 처리 장치를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
내부 연소 기관의 배기 가스에서 오염물을 감소시키기 위해, 오랫동안 배기 가스 처리 장치가 사용되어 왔다. 가스 처리 장치는 내부 연소 기관의 배기 가스의 오염물을 효과적으로 감소시키기 위해, 환원제용 공급부를 일반적으로 때때로 사용해왔다. 발견한 바와 같이, 특히 린-번 내부 연소 기관(lean-burn internal combustion engines)의 경우에, 환원제를 배기 가스로 공급하는 것이 바람직할 수 있다. 특히, 배기 가스의 질소 산화 화합물(nitrogen oxide compounds)(NOx) 일부는 린-번 내부 연소 기관의 경우에 증가되며, 환원제와 함께 배기 가스 처리 장치에서 감소될 수 있다. 이는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR 방법)의 방법으로 언급된다.
환원제로서, 예를 들면 암모니아가 사용될 수 있다. 암모니아는 무해 성분, 특히 질소, 물, 및 이산화탄소를 형성하기 위해 배기 가스에서 질소 산화 화합물을 이용하여 변환된다. 암모니아는 일반적으로 자동차의 직접적인 형태로 저장되지 않는다. 필요에 따라 실제 환원제로 변환되는 환원제 전구체는 일반적으로 저장되고 그리고/또는 공급된다. 요소는 예를 들면 환원제 전구체와 같은 기능을 한다. 요소 수용액은 특히나 바람직하다. 32.5%의 요소 함량을 가진 요소 수용액 유형은 예를 들면 상표명 AdBlue®을 가진 것으로 이용가능하다.
환원제는 액체 및/또는 가스 형태로 내부 연소 기관의 배기 가스 처리 장치에 공급될 수 있다. 환원제는 액체 형태로 자동차에 일반적으로 저장된다. 상기와 같은 액체 저장은 특별히 공간을 절감시키는 방식으로 가능하다. 액체 환원제는 가스 형태로 배기 가스 처리 장치에 공급될 수 있기 전에 우선 일반적으로 증발되어야 한다. 액체 환원제가 공급되면, 환원제의 증발은 배기 가스 처리 장치에서 발생되어야 한다. 충분히 높은 배기 가스 온도는 이러한 목적에 있어 필요하다.
린-번 내부 연소 기관은 공급된 연료의 완벽한 변환에 필요하기보다는 보다 많은 공기가 공급되는 공기/연료 비를 이용하여 동작된다. 상기와 같은 내부 연소 기관은 특히 최신 디젤 기관에 있다. 그러나, 상기와 같은 내부 연소 기관에서, 특히 배기 가스 온도가 종종 낮다. 배기 가스로의 액체 환원제 공급의 경우에서, 환원제는 배기 가스를 여전히 더 아래에서 냉각시킨다. 액체 환원제는 일반적으로 배기 가스로 증발된다. 여기에서 환원제의 증발 에너지는 배기 가스로부터 추출된다.
배기 가스 처리 장치에서 오염물의 변환은 또한 주요하게 배기 가스의 온도에 따라 달라진다. 예를 들면 질소 산화물, 일산화탄소 또는 그을음 입자(탄소 입자)와 같은 오염물의 변환 처리 대부분은 낮은 배기 가스 온도보다는 높은 배기 가스 온도에서 보다 빠르게 실질적으로 일어난다. 서로 다른 변환 처리에 대해 변화하는 특정 임계 온도 아래에서, 특정 변환 처리는 더 이상 일어나지 않는다.
이러한 이유로, 특히 린-번 내부 연소 기관을 위한 배기 가스 처리 장치의 경우에, 배기 가스 처리 장치에 배기 가스 히터가 구비되는 것이 알려져 있다. 배기 가스 히터는 내부 연소 기관의 냉각 시작 동안 빠르게 배기 시스템을 가열시키기 위해 처음에 개발되었다. 상기와 같은 배기 가스 히터는 예를 들면 배기관에 장착된 가열 코일의 형태로 구비될 수 있다. 그러나, 전류가 적어도 부분적으로 구성된 다수의 금속성 호일(metallic foils)의 팩들(packs)을 통하여 흐르는 전기적으로 가열할 수 있는 허니콤브 바디(honeycomb bodies)가 또한 종래 기술로부터 공지되었다. 상기와 같은 전기적으로 가열할 수 있는 허니콤브 바디는 발생된 열을 배기 가스로 방출시킬 수 있는 상당히 큰 표면을 가지는 이점을 가진다.
상기와 같이 전기적으로 가열할 수 있는 허니콤브 바디의 동작은 목표가 정해진 방식으로(targeted manner) 개시되어야 하는데, 이는 상기 바디가 전류를 소비하기 때문이다. 그러므로, 배기 시스템에서 전기 히터가 동작할 수 있되, 우선적으로 배기 가스 처리 장치에서 배기 가스의 이점이 되는 변환에 기인하고 둘째로 가능한 최소의 에너지를 소비하도록 동작될 수 있는 수단이 필요하다.
상기 종래의 기술을 시작으로 하여, 본 발명의 목적은 종래 기술과 함께 두드러진 기술적인 문제점을 더 해결하는 것에 있다. 본 발명의 목적은 적어도 하나의 히터 및 적어도 하나의 환원제용 공급 장치를 갖춘 배기 가스 처리 장치를 동작시키는 방법을 특히 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 청구항 1의 특징에 따른 방법에 의해 달성된다. 나아가, 방법의 이점이 되는 개량점은 종속항에서 규정된다. 청구항에서 개별적으로 규정된 특징은 소기의 기술적이고 의미있는 방식으로 서로 결합될 수 있고, 설명에서 설명을 위한 사실에 의해 제공될 수 있고, 나아가 본 발명의 추가적인 설계 변화는 강조된다.
적어도 하나의 히터 및 적어도 하나의 환원제용 공급 장치를 갖춘 배기 가스 처리 장치를 동작시키는, 본 발명에 따른 방법은 적어도 다음 단계를 포함한다:
a) 환원제가 공급되어야 하는지 체크하는 단계;
b.1) 판별된 제 1 온도가 제 1 임계 온도 아래로 내려간 경우, 그리고 환원제가 공급되어야 하는 단계 a)를 따른 경우에, 상기 제 1 온도가 제 1 임계 온도에 이르게 될 때까지 히터로 가열되는 단계;
b.2) 판별된 제 2 온도가 제 2 임계 온도 아래로 내려간 경우, 그리고 환원제가 공급되지 않아야 하는 단계 a)를 따른 경우에 상기 제 2 온도가 제 2 임계 온도에 이르게 될 때까지 히터로 가열하는 단계; 및
c) 환원제가 공급되어야 하는 단계 a)를 따른 경우에 환원제를 공급하는 단계
본 발명에 따른 방법의 개별적인 방법 단계는 일반적으로 순환 방식으로, 본원에서 규정된 시퀀스 방식으로 반복되되, 내부 연소 기간의 동작 동안 반복된다.
표현 "환원제"는, 환원제를 위한, 그리고 예를 들면 요소 또는 요소 수용액 등의 환원제 전구체도 위한, 즉 이 둘을 위한 모든 포함된 용어로서 본원에서 사용된다.
본 발명에 따른 방법은 배기 가스 처리 장치에서 히터의 제어를 위해 2 개의 서로 다른 임계 온도가 제공되거나 설정되는 것을 특징으로 한다. 배기 가스 처리 장치에서 일어나는 서로 다른 변환 처리는 서로 다른 최소 온도를 필요로 하며, 이때 상기 서로 다른 최소 온도를 초과하면 상기 변환 처리가 일어나게 된다. 발견된 바와 같이, 높은 온도는 환원제가 공급되지 않을 때보다 배기 가스 처리 장치 내로 액체 환원제를 공급하는 동안에 특히나 규칙적으로 필요하다. 이러한 이유로, 배기 가스 처리 장치의 히터는, 배기 가스의 오염물의 변환에 대한 배기 가스 처리 장치의 유효성이 저하됨 없이 서로 다른 임계 온도를 이용하여 특별한 에너지 절감 방식으로 동작될 수 있다. 온도/임계 온도는 배기 가스의 온도일 수 있고/있거나 배기 가스와 접촉하는 컴포넌트의 온도일 수 있다. 온도는 계속 진행 중 상태(ongoing basis)에서 측정될 수 있고/있거나 계산될 수 있다. 임계 온도는 고정 값 및/또는 (진행 상태에서) 계산되거나 조정되는 값으로 저장될 수 있다.
온도가 특히 현재 상태(시간 면에서 봤을 때 바로 전에 그리고/또는 후에 그리고/또는 접근 시에 상태)를 나타내는 특징으로 계산되고, 예측되거나 그리고/또는 측정된 경우를 "판별된 것"으로 본다.
다른 말로 하면, 단계 b.1)는 특히 다음 처리를 포함한다: 특징적인 "제 1 온도"가 먼저 판별되고, 상기 제 1 온도는 특히 배기 가스 처리 장치, 공급 장치에서/상에서의 적어도 현재 가열 상태, 배기 가스 유량 및/또는 환원제를 특징으로 한다. 이로써, 상기 처리에서 부여된 "제 1 임계 값"과 판별된 제 1 온도를 비교하고, 이때 "제 1 임계 값"은 (시간 면에서 봤을 때 진행되는 상태 및/또는 접근한 상태에서) 예를 들면 계산되고, 미리 정의되고 또는 데이터 메모리로부터 판독된다. 상기 비교로 인해 제 1 온도가 제 1 임계 값 아래로 내려가고 환원제가 측정되어야 하는 경우, 히터는 특유의 제 1 온도가 제 1 임계 값에 대해 이를 때까지 (상술된 바와 같이 동일한 위치, 중간 위치 등에 대해) 활성화된다.
상술된 단계 b.2)로서 제 2 온도"의 발생, 및 제 2 임계 값과의 비교 실행에 대해서는 대응되게 적용되는 것이 바람직하다.
제 1 온도 및 제 2 온도가 공통 센서에 의해 모니터링되고 판별되는 것이 가능한다. 동일한 측정 위치, 참조물, 대상 등이 단계 b.1) 및 b.2)에 포함된다면, 사실상 제 1 온도와 제 2 온도 간에서 차이가 없고, 동등한 지명("상기(the)" 온도)이 간단하게 사용되는 것이 가능하다. 그러나, 이는 이 경우 역시 서로 벗어나게 될 수 있는 해당 임계 온도에 적용될 필요는 없다.
또한, 제 1 온도 및 제 2 온도가 2 개의 서로 다른 센서들에 의해 모니터링되고 판별되는 것이 가능하다. 나아가, 2 개의 온도의 별도의 모니터링이 제공될 수 있고, 제 1 온도의 판별 및 제 2 온도의 판별은 배기 시스템에서 서로 다른 위치에서 일어난다. 제 1 온도가 중요해지는 환원제의 변환, 제 2 온도가 중요해지는 배기 가스의 오염물의 변환은 배기 시스템의 서로 다른 위치에서 발생될 수 있다. 환원제의 변환은 일반적으로 해당하는 활성 촉매 컨버터가 제공되는 곳에서 발생된다. 이와 마찬가지로 배기 가스의 오염물의 변환은 일반적으로 해당하는 활성 촉매 컨버터가 제공되는 곳에서 발생된다. 이에 따라서 각 온도의 모니터링은 각 경우에 이러한 위치에서 실행되어야 한다.
마찬가지로 제 1 온도 및 제 2 온도의 공동 모니터링이 일어나는 것도 가능하다. 이는 환원제의 변환 및 배기 가스의 오염물의 변환이 배기 가스 처리 장치에서 매우 근접하여 연속하게 공간적으로 일어나는 경우에 특히나 이점이 있다. 그 후, 제 1 온도 및 제 2 온도의 판별은 공통 온도 센서를 이용하여 배기 시스템의 위치에서 일어나는 것이 바람직하다. 그 후, 제 1 온도는 제 2 온도에 일치한다.
방법을 설명하기 위해서, 또한 언급되는 바와 같이 단계 b.1) 및 b.2)는 단계 a)에서 체크의 결과 기능으로 대안적으로 실행된다. 이는 또한, 다른 말로 하면, 환원제가 추가되어야 하고 다음 단계((b.1) 및 c))가 실행되는 것을 의미하고 제 1 임계 온도로 내려갈 시에만 가열이 일어나게 된다. 환원제가 첨가되지 않아야 하는 경우, 단계 b.2)는 (단지) 제 2 임계 온도로 내려간 경우 실행된다.
본 발명에 따른 방법은 또한 다음의 이점을 가진다: 제 1 온도가 제 1 임계 온도를 초과한 경우에 제 1 임계 온도는 가수 분해 촉매 컨버터에서의 적어도 하나의 가수 분해, 액체 환원제의 열분해 또는 증발이 일어날 수 있도록 선택된다. 필요한 경우, 제 1 임계 온도는 배기 시스템에서 정해진 복수의 처리가 개시되도록 선택될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 상승 온도는 환원제의 공급 동안 규칙적으로 필요하다. 이는 공급된 환원제 또는 공급된 환원제 전구체가 최종 환원제로 규칙적으로 변화되어야 하기 때문이다. 환원제 전구체로서의 사용은 배기 시스템에서 암모니아로 변환되어야 하는 요소수의 예에 의해 이루어진다. 서로 다른 화학 처리가 환원제를 변환시키기 위해 일어날 수 있다. 상기 처리 중 하나는 가수 분해 촉매 컨버터에서의 가수 분해이다. 여기에서, 환원제는 촉매 반응을 일으켜 작용하는 가수 분해 코팅의 영향으로 암모니아로 변환된다. 약 200 ℃의 배기 가스의 온도는 이 목적을 위해 필요하다.
요소수(urea-water solution)의 가수 분해에 필요한 온도는 암모니아[NH3] 및 이산화 질소[NO2]의 존재로 인해 낮아지는 것도 가능할 수 있다. 이때, 단지 130 ℃ 내지 160 ℃의 온도가 가수 분해에 필요한 경우일 수 있다.
환원제를 변환시킬 수 있는 추가적인 화학 처리는 열분해(thermolysis)이다. 열분해는 촉매 반응을 일으켜 활성화되는 가수 분해 코팅의 영향 없이 최종 환원제를 형성하기 위해 환원제 또는 환원제 전구체의 순수 열 변환이다. 환원제 전구체로서 단지 32.5% 요소수 중 약 50%가 암모니아로 변환된다. 요소수의 다른 50%는 이소시안산(isocyanic acid)(HNCO)으로 변환된다. 환원제의 열분해에 필요한 온도는 가수 분해에 필요한 온도보다 일반적으로 높다. 환원제 전구체의 열분해의 시작에 대한 명확한 임계 온도는 없다. 열분해는 광범위의 온도를 넘어 환원제의 가수 분해와 함께 동시에 일어난다.
나아가, 제 1 임계 온도는, 액체 환원제가 증발하는 것을 확보하도록 선택될 수 있다. 이 방법 실행은 환원제가 배기 가스 처리 장치에 효과가 있도록 화학적으로 변환될 필요가 없지만, 오히려 액체 상태의 집합체에서 가스 상태의 집합체로 단지 변화될 필요가 있는 경우에 특히나 이점을 가진다. 또한 예를 들면 요소수와 같은 환원제 전구체의 경우에, 열분해 및/또는 가수 분해에 의한 적어도 부분적인 변환은 또한 증발과 병행하여 이미 발생되었다.
이러한 설명에 따라서, 액체 환원제의 가수 분해, 열분해 또는 증발의 처리들 중 적어도 하나가 발생될 수 있도록 제 1 임계 온도가 선택되는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 다음의 제 1 임계 온도가 특별하게 제안된다:
제 1 임계 온도_증발: 공급점에서의 배기 가스에서 160 ℃보다 크고 240 ℃까지
제 1 임계 온도_가수 분해: 가수 분해 촉매 컨버터에서 160 ℃보다 크고 240 ℃까지
(NH3 및 NO2 가 있을 시에) 130 ℃ 내지 160 ℃의 제 1 임계 온도_가수 분해: 가수 분해 촉매 컨버터.
방법은, 제 2 온도가 제 2 임계 온도를 초과하는 경우에 SCR 촉매 컨버터에서의 질소 산화 화합물의 선택적 촉매 환원이 일어날 수 있도록 제 2 임계 온도가 선택되는 경우에 추가적인 이점을 가진다. 제 2 임계 온도는 배기 가스 처리 장치의 규칙적인 동작을 위해 제공된다. 환원제용 공급 장치를 이용하여 배기 가스 처리 장치의 규칙적인 동작을 하는 동안, 환원제를 이용한 질소 산화 화합물의 선택적인 촉매 변환은 일반적으로 영구적으로 일어난다. 여기에서 이 목적에 필요한 반응이 문제점 없이 일어날 수 있도록 제 2 임계 온도가 선택되는 것이 바람직하다. 제 2 임계 온도는 이 경우에 예를 들면 SCR 촉매 컨버터에서 130 ℃ 내지 160 ℃일 수 있다.
이에 따라서, 단계 b.1)에서, 환원제가 추가되어야 하는 경우에, 160 ℃보다 큰, 예를 들면 약 180 ℃, 약 200 ℃ 또는 심지어 적어도 240 ℃의 제 1 온도가 설정될 시에 특히나 바람직하다. 환원제를 추가할 계획이 없는 경우, 단계 b.2)에 대응에 따라, 130 ℃ 내지 160 ℃의 범위의 제 2 온도로 조정이 실행되는 것이 가능하다.
나아가, 본 발명에 따른 방법은, 적어도 제 1 온도 또는 제 2 온도와, 배기 가스 처리 장치를 통과한 배기 가스 질량 유량이, 히터에 의하여 적어도 제 1 임계 온도 또는 제 2 임계 온도에 달성될 수 있도록 하는 범위에 속한 경우에서만, 히터가 활성화된다는 이점을 가진다.
배기 가스 처리 장치에 구비된 전기 히터는 일반적으로 단지 제한된 전력 용량을 가진다. 전력 용량은 예를 들면 500 내지 5000 와트일 수 있다. 상기와 같은 전력 등급을 이용하여, 배기 가스 유량에서 온도 증가의 소기의 크기를 실현시키는 것은 불가능하다. 배기 가스 유량에서 가능한 온도 증가는 우선 배기 가스 유량에 이미 제공된 배기 가스 온도에 따라 달라지고, 둘째로 배기 가스의 질량 유속(mass flow rate)에 따라 달라진다. 배기 가스 질량 유량이 커질수록 배기 가스 질량 유량에 들어가야 하는 에너지 양은 커지게 되어 특정 온도가 증가할 수 있다. 이러한 이유로, 제공된 특정 제 1 온도 또는 제 2 온도로부터 진행되어 해당 제 1 임계 온도 또는 해당 제 2 임계 온도를 달성하는 것이 비경제적이거나 심지어 가능하지 않는 경우도 있을 수 있다. 그러므로, 상기와 같은 상황이 있는 경우에 배기 가스의 열을 분배하는 것이 바람직할 수 있다. 방법에 대해 본원에서 규정된 종료 조건을 이용하여, 가열 에너지의 불필요한 사용은 방지될 수 있다.
방법의 일 개량점에서, 또한 제안된 바와 같이, 배기 가스 처리 장치는 환원제의 양이 일시적으로 저장될 수 있는 저장부를 가진다. 환원제 양을 일시적으로 저장하는 저장부는 예를 들면, 배기 가스가 접촉하는 기판 상의 코팅된 저장부일 수 있고, 코팅된 저장부는 특정 온도 범위에서 특히 암모니아를 저장할 수 있다. 상기와 같은 저장부는 또한 선택적 촉매 환원을 위해 제공된 코팅물과 함께 허니콤브 바디에서 구비될 수 있다. 이는, 선택적 촉매 환원을 보조하는 구성 및 암모니아를 저장하는 구성, 즉 이 둘 구성을 가진 혼합된 코팅물의 형태를 취하는 것도 가능하다. 상기와 같은 저장부는 예를 들면 1 분 내지 1 시간, 바람직하게는 5 분 내지 30 분의 동작 기간 동안, 배기 가스 처리 장치에서 선택적 촉매 환원이 환원제의 재개된 공급 없이 발생되기에 충분한 환원제 양을 저장할 수 있는 것이 바람직하다.
배기 가스 처리 장치에서 환원제의 상기와 같은 일시적인 저장에 의하여, 특히나 바람직한 시간이 환원제의 공급을 위해 사용될 수 있는 것이 이루어질 수 있다.
상술된 방법은 추가로 저장부에 저장된 환원제 양이 먼저 판별되면, 환원제 공급은 단계 a)에서 환원제의 저장 양이 최소 적재량 아래인 경우에 일어날 수 있게 설정되는 경우가 바람직하다.
저장부에 저장된 환원제 양은 적합한 센서들에 의해 판별되고 그리고/또는 계산될 수 있다. 저장된 양은 저장부에 매립된 전기 용량 센서에 의해 측정될 수 있고, 상기 전기 용량의 캐패시턴스는 환원제의 저장 양의 함수에 따라 변화된다.
본 발명에 따른 방법은 추가로 다음과 같은 경우를 이점으로 가진다: 환원제용 공급 장치는 배기 가스 처리 장치에서 환원제를 액체 또는 가스 형태로 하여 선택적으로 공급할 수 있고, 그리고 단계 a)에서는 히터에 의해 제 1 임계 온도에 달성될 수 있는지 더 체크되고, 단계 c)에서는 제 1 임계 온도에 이르지 못할 경우에 가스 공급이 제공된다. 환원제의 가스 공급은 저장부의 환원제의 최소 적재량이 가스 공급 없이 떨어지거나 또는 이미 떨어진 경우에 발생되는 것이 바람직하다.
환원제의 가스 공급은 환원제의 증발을 위해 추가적인 에너지를 필요로 한다. 반면, 가스 환원제의 공급을 통하여, 배기 가스 처리 장치에서 환원제의 특별히 빠른 제공을 실현시키는 것이 가능하다. 가스 환원제는 우선 최종 환원제(예를 들면 암모니아)로 매우 빠르게 변환되는데, 이는 변환에 필요한 에너지가 열을 형성할 시에 가스 환원제에 이미 존재하기 있기 때문이다; 둘째로, 가스 환원제는 또한 SCR 촉매 컨버터로 매우 빠르게 이동하고 배기관 상에 방울의 형태로 축적될 수 없다. 환원제 또는 환원제 전구체는 공급되기 전에 이미 최종 환원제로 변환될 수도 있다. 이는 가수 분해 또는 열분해에 의해 실현될 수 있다.
환원제의 가스 공급이 예를 들면 환원제의 가열을 통해 별개의 증발기의 배기 가스 외부로 가능한 경우, 확보될 수 있는 바와 같이 배기 시스템에서 온도가 특별하게 낮음에도 불구하고, SCR 촉매 컨버터에서의 선택적 촉매 환원은 장기간에 걸쳐 효율적으로, 그리고 신뢰성이 높게 일어난다.
본 발명에 따른 방법의 추가적인 이점은 다음과 같다: 단계 a)에서는 배기 가스 처리 장치의 제 3 온도가 판별되고, 배기 가스 처리 장치의 제 3 온도가 제 3 임계 온도를 초과하는 경우에 환원제의 공급이 일어날 수 있는 것이 더 설정된다. 제 3 온도 역시 제 1 온도 및/또는 제 2 온도와 일치할 수 있고(즉, 배기 가스 처리 장치에서 동일한 위치에 관함), 필요하다면 제 1 온도 및/또는 제 2 온도에서 판별된 바와 같이, 동일한 온도 센서에 의해 판별될 수 있다.
여기에서 이제 제안하는 바와 같이, 환원제가 일시적으로 저장될 수 있는 저장부의 최소 적재량으로 떨어지는 경우뿐만 아니라, 배기 가스 처리 장치에서 특별하게 제 3 온도가 높아지게 됨에 따라 환원제의 특정 에너지 공급이 절감될 가능성이 있는 경우에도 환원제의 공급이 개시된다. 제 3 온도는 히터가 환원제의 공급에 대해 모두 사용될 필요가 없도록 선택되는 것이 바람직하다. 이로써, 환원제에 대한 배기 가스 처리 장치에 구비된 저장부는 특별하게 에너지를 절감시키는 방식으로 충전될 수 있다. 히터에 대해 필요한 가열력은 적합한 가열 시간의 선택을 통하여, 그리고 상승된 온도가 임의의 경우에 제공되는 공급 시간을 통하여 감소된다.
본 발명에 따른 방법의 추가로 이점을 가진 실시예에서, 환원제 공급이 일어나는 시구간은 내부 연소 기관의 전체 동작 시간의 최대 25% 까지 이른다. 시구간은 내부 연소 기관의 전체 동작 시간 중 심지어 최대 10% 까지 또는 심지어 최대 5% 까지 이르는 것이 바람직하다. 환원제가 충분한 동작 지속 시간(operating time period) 동안 일시적으로 저장되도록 배기 가스 처리 장치의 저장부가 확보되는 경우, 특별하게 상승된 배기 가스 온도를 이용한 내부 연소 기간의 특정 동작 단계(operating phases)가, 예를 들면 자동차의 가속 단계가 SCR 촉매 컨버터에 필요한 환원제를 공급하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 이점인 것은 자동차인데, 이때 자동차는 히터, 환원제용 공급 장치 및 제어 유닛을 갖춘 배기 가스 처리 장치 및 내부 연소 기관을 가지며, 제어 유닛은 본 발명에 따른 방법을 실행하는데 설정된다. 본 발명에 따른 방법은 예를 들면 센서들과 통신하는 그리고/또는 해당 방식으로 히터를 동작시키는 자동차 엔진 제어기의 소프트웨어 형태로 실현될 수 있다.
본 발명 및 기술 분야는 도면에 기초하여 이하에 상세하게 기재될 것이다. 특히, 도면은 바람직한 실시예를 나타내고 있지만, 본 발명이 이들 실시예로만 제한하지는 않는다. 도면은 개략적이며, 동일 구성요소는 동일 참조 번호로 제공된다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 설정된 배기 가스 처리 장치를 갖춘 자동차를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 설정된, 대안적인 배기 가스 처리 장치를 갖춘 추가적인 자동차를 도시하고,
도 3은 제 1 방법을 실행하여 본 발명에 따른 방법의 동작 동안 배기 가스 온도의 다이어그램을 도시하고,
도 4는 제 2 방법을 실행하여 본 발명에 따른 방법의 동작 동안 배기 가스 온도의 추가적인 다이어그램을 도시하며, 그리고
도 5는 본 발명에 따른 방법의 진행을 도시한 블록도를 도시한다.
도 1은 내부 연소 기관(2) 및 배기 가스 처리 장치(1)를 갖춘 자동차(16)를 도시하고, 상기 배기 가스 처리 장치는 내부 연소 기관(2)에 연결된다. 배기 가스 처리 장치(1)는 직렬로, 산화 촉매 컨버터(24), 입자 필터(particle filter)(25), 히터(3), 환원제(예를 들면 요소)용 공급 장치(4), 가수 분해 촉매 컨버터(5), 저장부(11), 및 SCR 촉매 컨버터(6)를 갖추고 있다. SCR 촉매 컨버터(6)에는 온도 센서(22)가 구비된다. 이와 마찬가지로, 가수 분해 촉매 컨버터(5)에도 온도 센서(22)가 구비된다. 저장부(11)에는 질소 센서(13)가 구비되고, 상기 질소 센서에 의하여, 환원제가 있는 저장부(11)의 적재량(loadin)은 모니터링될 수 있다. 공급 장치(4)에는 환원제 도우징 시스템(23)으로부터 관(line)을 통하여 환원제가 공급된다. 히터(3)는 온도 센서들(22) 및 질소 센서(13)에 의한 데이터 판별 기능을 하는 제어 유닛(17)에 의해 제어된다. 산화 촉매 컨버터(24) 및 입자 필터(25)는 내부 연소 기관(2)의 배기 가스의 예비 처리를 위한 기능을 한다. 필요한 경우, 공급 장치(4)는, 내부 연소 기관(2)으로부터 진행되는 입자 필터(25) 및/또는 산화 촉매 컨버터(24)의 상부(upstream)에 배치될 수도 있다. 히터(3)는 또한 배기 가스 유량 방향을 고려할 시에, 입자 필터(25) 및/또는 산화 촉매 컨버터(24)의 상부에 배치될 수 있다.
이와 마찬가지로, 도 2는 내부 연소 기관(2) 및 배기 가스 처리 장치(1)를 가진 자동차(16)를 도시한다. 상기 배기 가스 처리 장치(1)에는 내부 연소 기관(2)으로부터 직렬로 진행하는 방식으로, 우선 환원제용 공급 장치(4)가 구비되고, 상기 공급 장치에는 환원제 도우징 시스템(dosing system)(23)에 의해 환원제가 구비된다. 상기 공급 장치 다음에는 히터(3) 및 배기 가스 처리 컴포넌트(30)가 배치된다. 다양한 기능은 배기 가스 처리 컴포넌트(30)와 연동하여 실현된다. 배기 가스 처리 컴포넌트(30)는 가수 분해 촉매 컨버터(5), 환원제용 저장부(11), 및 SCR 촉매 컨버터(6)를 포함한다. SCR 촉매 컨버터(6) 및 저장부(11)는 공통 코팅부(common coating)(19)에서 실현된다. 코팅부(19)는, 환원제를 저장하고 저장부(11)를 형성하는 구성을 포함하며, 그리고 선택적 촉매 환원을 촉진시키고 SCR 촉매 컨버터(6)를 형성하는 구성을 포함한다. 배기 가스 처리 컴포넌트(30)에는 온도 센서(22) 및 질소 센서(13)가 구비된다. 환원제가 있는 저장부(11)의 적재량은 질소 센서(13)에 의해 판별될 수 있다. 히터(3)는 온도 센서(22) 및 질소 센서(13)에 의해 데이터 판별 기능을 하는 제어 유닛(17)에 의해 제어된다.
도 3 및 4는 본 발명에 따른 방법의 진행 동안 배기 가스 처리 장치의 온도 다이어그램 각 경우를 도시한다. 도 3 및 4가 공통적으로 다수의 특징으로 가지고 있기 때문에, 이들을 여기에서 함께 설명할 것이다. 2 개의 도면에서, 배기 가스 처리 장치에서 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)의 프로파일은 시간 축(27)에 대해 나타내었다. 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)의 값은 온도 축(28)을 따라 읽어질 수 있다. 여기에서 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)는 서로 일치된다. 도 4에서, 추가로 모니터링된 제 3 온도(14) 또한 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)와 일치한다. 여기에서 나타난 온도는 예를 들면 공통 온도 센서에 의해 판별될 수 있다. 백그라운드에서 각 경우를 점선으로 나타낸 것은 배기 가스 처리 장치에서 환원제용 저장부의 적재량(21)이다. 또한, 수평선들로 각 경우를 도시한 것은 제 1 임계 온도(8) 및 제 2 임계 온도(10)이다.
(다이어그램의 좌측에서) 시작하여, 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9) 각각은 매우 낮다. 이는 예를 들면 내부 연소 기관의 동작 시작 때문일 수 있다. 배기 가스 처리 장치는 여전하게 여기에서 차가운데 우선 가열되어야 한다. 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)를, 미리 정의된 제 2 임계 온도(10)를 초과하여 증가시키기 위해서, 가열 처리(26)는 일어난다. 제 2 온도(9)가 제 2 임계 온도(10)에 이를 시에, 내부 연소 기관은 추가적인 가열 없이 동작된다. SCR 촉매 컨버터는 이제 환원제를 이용하여 배기 가스의 오염물을 변환시킨다. 이는 또한 보일 수 있는 바와 같이 환원제가 있는 저장부의 적재량(21)은 연속적으로 떨어진다. 적재량(21)이 최소 저장량(12)에 이르게 될 시에, 가열 처리(26)는 다시 개시된다. 최소 적재량(12)은 점선으로 된 수평선으로 도시된다. 이는 방법 단계 a)에 대응되고, 상기 단계 a)에서 환원제의 공급이 이루어져야 한다. 제 1 온도(7)가 가열 처리(26)에 의해 제 1 임계 온도(8)를 초과한 값까지 상승될 시에, 환원제의 액체 공급(29)은 제공되되, 저장부의 적재량(21)이 최대 저장량(20)에 이를 때까지 제공된다. 이와 마찬가지로, 최대 저장량(20)은 점선으로 된 수평선으로 나타난다. 최대 저장량(20)에 이를 시에, 제 2 임계 온도(10)가 영향을 미치는 배기 가스 처리 장치의 규칙적인 동작이 다시 시작된다. 제 2 온도(9)는 이제 다시는 제 2 임계 온도(10) 미만으로 떨어지지 않아야 한다. 이와 같이 발생되어야 함에도 불구하고, 가열 처리(26)는 다시 개시된다. 이는 도 3 및 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 제 1 액체 공급(29) 후에, 추가적인 가열 처리(26)가 있고, 상기 가열 처리 동안 환원제가 있는 저장부의 적재량은 일정한 상태로 남아있게 된다. 이는 다음의 것을 나타낸다: 제 2 온도(9)는 제 2 임계 온도(10) 아래로 떨어지고, 선택적 촉매 환원이 배기 가스 처리 장치에서 더 이상 발생될 수 없는 위험성을 가진다. 저장부의 적재량(21)이 최소 적재량(12)에 다시 이르게 될 시에, 또는 상기 최소 적재량으로 내려가 위태롭게 될 시에, 배기 가스 처리 장치의 가열 처리(26)는 다시 일어나게 되고, 그 결과 제 1 온도(7)는 제 1 임계 온도(8)에 이르게 된다. 그 후, 환원제의 액체 공급(29)은 다시 개시된다.
도 4는 또한 본 발명에 따른 방법의 다수 특정 동작 모드들을 도시한다. 여기에서, 액체 공급(29)은, 환원제용 저장부의 적재량(21)이 최소 적재량(12)에 이르거나 최소 적재량으로 내려갈 시에만 일어나지 않는다. 실제로, 액체 공급(29)은 제 3 임계 온도(18)에 이르는 배기 가스의 제 3 온도(14)의 결과로서 여기에 개시된다. 여기에서, 제 3 온도(14)는 제 1 온도(7) 및 제 2 온도(9)와 일치한다. 특히, 환원제용 저장부의 효율적인 에너지 충전은 이러한 방식으로 달성될 수 있다. 도 4에서 제 2 액체 공급(29) 전에, 가스 공급(15)도 도시된다. 환원제의 상기 가스 공급(15)은 여기에서 개시되는데, 이는 우선 배기 가스 처리 장치에서 환원제용 저장부의 적재량(21)이 우선 너무 낮아지게 되어 완벽한 선택적 촉매 환원이 더 이상 일어나지 않는 위험성이 있을 수 있고, 이와 동시에 제 1 온도(7)가 너무 낮게 되어 액체 공급(29)에 의한 저장부의 빠른 적재는 가능하지 않기 때문이다. 그러나, 이는 가스 공급(15)에 의해 보상받을 수 있다. 제 1 온도(7)가, 병행으로 일어나는 가열 처리(26)의 결과로서 제 1 임계 온도(8)에 이를 시에, 환원제의 액체 공급(29)은 다시 일어나고, 이로 인하여 배기 가스 처리 장치에서 환원제용 저장부의 적재량(21)은 다시 충전될 수 있다.
여기에서, 환원제의 가스 공급(15)은, 예를 들면, SCR 촉매 컨버터의 신뢰가능한 동작이 배기 가스 처리 장치에서 저장부에서 나온 환원제를 이용하여, 그리고/또는 액체 형태로 공급된 환원제를 이용하여 확보될 수 없는 경우에만 의존하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 도 5는 방법 단계 a), b1), b2) 및 c)를 도시한다. 또한 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 순환(loop) 방식으로 반복적으로 실행된다. 단계 b.1) 또는 단계 b.2)는 환원제의 공급이 일어나는지 또는 일어나지 않는 여부에 대해 단계 a)의 판별에 따라 양자택일로 개시된다. 점선 화살표로 나타난 바와 같이, 적어도 현재 온도가 임계 온도와 일치하는 경우, 단계 c) (가열)는 우회된다. 방법은 기본적으로 시간 지연 및/또는 요구에 따른 후에 다시 시작될 수 있다.
1 배기 가스 처리 장치
2 내부 연소 기관
3 히터
4 공급 장치
5 가수 분해 촉매 컨버터
6 SCR 촉매 컨버터
7 제 1 온도
8 제 1 임계 온도
9 제 2 온도
10 제 2 임계 온도
11 저장부
12 최소 적재량
13 질소 센서
14 제 3 온도
15 가스 공급
16 자동차
17 제어 유닛
18 제 3 임계 온도
19 코팅부
20 최대 저장량
21 적재량
22 온도 센서
23 환원제 도우징 시스템
24 산화 촉매 컨버터
25 입자 필터
26 가열 처리
27 시간 축
28 온도 축
29 액체 공급
30 배기 가스 처리 컴포넌트

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 히터(3), 적어도 하나의 환원제용 공급 장치(4), 가수 분해 촉매 컨버터(5) 및 SCR 촉매 컨버터(6)를 갖춘 배기 가스 처리 장치(1)를 동작시키는 방법으로서, 상기 배기 가스 처리 장치(1)는 저장부(11)를 갖추고, 상기 저장부에는 환원제 양이 일시적으로 저장될 수 있고, 배기 가스는 상기 히터(3), 상기 가수 분해 촉매 컨버터(5), 및 상기 SCR 촉매 컨버터(6) 순으로 흐르는, 배기 가스 처리 장치 동작 방법에 있어서,
    a) 환원제가 공급되어야 하는지 체크하는 단계;
    b.1) 판별된 제 1 온도(7)가 제 1 임계 온도(8) 아래로 내려간 경우, 그리고 환원제가 공급되어야 하는 단계 a)를 따른 경우에 상기 제 1 온도가 제 1 임계 온도(8)에 이르게 될 때까지 히터(3)로 가열하는 단계로서, 상기 제 1 임계 온도(8)는, 제 1 온도(7)가 제 1 임계 온도(8)를 초과하는 경우 가수 분해 촉매 컨버터(5)에서의 적어도 하나의 가수 분해, 액체 환원제의 열분해 또는 증발이 일어날 수 있도록 선택되는, 가열 단계;
    b.2) 판별된 제 2 온도(9)가 제 2 임계 온도(10) 아래로 내려간 경우, 그리고 환원제가 공급되지 않아야 하는 단계 a)를 따른 경우에 상기 제 2 온도가 제 2 임계 온도(10)에 이르게 될 때까지 히터(3)로 가열하는 단계로서, 상기 제 2 임계 온도(10)는, 제 2 온도(9)가 제 2 임계 온도(10)를 초과하는 경우 SCR 촉매 컨버터(6)에서의 질소 산화 화합물의 선택적 촉매 환원이 일어날 수 있도록 선택되는, 가열 단계; 및
    c) 환원제가 공급되어야 하는 단계 a)를 따른 경우에 환원제를 공급하는 단계를 적어도 포함하며, 그리고
    상기 b.1) 및 b.2) 단계에서, 상기 제 1 및 제 2 온도(7, 9)는 상기 배기 가스 처리 장치(1)의 온도 센서에 의해 판별되고, 상기 제 2 임계 온도(10)는 상기 제 1 임계 온도(8)보다 낮은 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    적어도 제 1 온도(7) 또는 제 2 온도(9)와, 그리고 배기 가스 처리 장치(1)를 통과한 배기 가스 질량 유량이, 히터(3)에 의하여 적어도 제 1 임계 온도(8) 또는 제 2 임계 온도(10)에 달성될 수 있도록 하는 범위에 속한 경우에서만, 상기 히터(3)가 활성화되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장부(11)에 저장된 환원제 양이 먼저 판별되고, 환원제 공급은 단계 a)에서 환원제의 저장 양이 최소 적재량(12) 아래인 경우에 일어날 수 있게 설정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제용 공급 장치(4)는 환원제를 액체 또는 가스 형태로 하여 선택적으로 배기 가스 처리 장치(1)로 공급할 수 있고,
    단계 a)에서는 히터(3)에 의해 상기 제 1 임계 온도(8)에 달성될 수 있는지 더 체크되고, 그리고 단계 c)에서는 제 1 임계 온도(8)에 이르지 못할 경우에 가스 공급이 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    단계 a)에서는 배기 가스 처리 장치(1)의 제 3 온도(14)가 판별되고, 배기 가스 처리 장치(1)의 제 3 온도(14)가 제 3 임계 온도(18)를 초과하는 경우에 환원제의 공급이 일어날 수 있는 것이 더 정의되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    환원제 공급이 일어나는 시구간(time segment)은 내부 연소 기관(2)의 전체 동작 시간의 최대 25% 까지 이르는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치 동작 방법.
  10. 히터(3), 환원제용 공급 장치(4) 및 제어 유닛(17)을 갖춘 배기 가스 처리 장치(1) 및 내부 연소 기관(2)을 가진 자동차(16)에 있어서,
    상기 제어 유닛(17)은 청구항 1, 4, 6 내지 9 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 처리 장치 동작 방법을 실행하기 위해 설정되는 자동차.
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